礦業類學科虛實結合實驗教學模式研究

滕騰　賈文建　趙毅鑫　任朝陽　易鵬　劉坤

摘? 要：實驗教學是消化理論知識的一個重要的教學方式。傳統線下實驗教學因實驗資源有限導致教學效果不佳，線上實驗教學受到網絡設備、教學組織方式和學生自律等因素的影響，教學效果難以保證。該文廣泛調研當下國內煤炭高校參觀講解、線上操作和實際操作三類主流實驗教學模式，并結合典型案例進行實驗教學效果分析。結合疫情背景與當下虛擬仿真技術發展，提出線上線下與虛實結合的實驗教學模式，助力礦業類學科實驗教學質量與效果提升。

關鍵詞：實驗教學；教學模式；虛實結合；礦業工程；礦業類學科

中圖分類號：G640? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）04-0001-04

Abstract： Experimental teaching is an important teaching method to digest theoretical knowledge. The traditional offline experimental teaching has poor teaching effect due to the limited experimental resources， and the online experimental teaching is affected by network equipment， teaching organization mode and students' self-discipline， as a result the teaching effect is difficult to guarantee. In this paper， three mainstream experimental teaching models in the current domestic coal colleges and universities are summarized as the visit explanation model， online operation model and practical operation model. The teaching results of these models are analyzed by using typical cases. Combined with the epidemic background and the current development of virtual simulation technology， the experimental teaching model combining online and offline with virtual reality is proposed to help improve the experimental teaching quality and effect of mining disciplines.

Keywords： experimental teaching; teaching model; virtual reality; mining engineering; mine engineering discipline

實驗教學是提高學生理論理解和實踐能力的必要環節，是傳統工科學生教學環節不可或缺的重要部分。要求學生在扎實、牢固地掌握基礎知識的前提下，通過實驗課程進行具體操作實踐，將抽象知識借由實驗來實現具象化，從而將理論應用在實踐中，促進學生對知識更好地理解與消化[1]。

2020年伊始，為防止新型冠狀病毒感染疫情擴散，教育方面要求高校延遲開學，將線下課程紛紛轉為線上課程。在這之前，線上教學及虛擬實驗模式尚未得到大規模應用。自疫情開始，線上授課逐步常態化，虛擬教學模式也開始普及，并逐漸形成一套成熟的體系，但也衍生出了許多其他的問題。傳統線下的現場實驗教學模式往往受教學場地、教學器材、師資力量及學生數量等限制，無法為每位學生提供良好的實驗體驗[1]。而線上及虛擬教學模式正好彌補了線下的現場實驗在時間上以及空間上缺陷，但并不代表線上模式不存在弊端。線下及現實實驗模式對于實驗教學模式的改革仍有許多可取之處，以及相當大程度的必要性。如何將線上與線下、虛擬與現實的實驗教學模式有機結合起來，成為了影響新時代教學模式與教學質量至關重要的問題。

因此，本文通過調研多所礦業高校針對礦業類學科的實驗教學案例，系統總結并分析不同模式實驗教學環節過程及教學效果，通過對比分析來設計更符合新時代的混合實驗教學模式，并應用于對學生創新性、實踐性、團隊性的培養。

一? 礦業類學科實踐教學現狀

礦業工程作為一門傳統的工科學科，同時也作為煤炭高校的特色優勢學科，為國家經濟以及社會發展貢獻了十分重要的力量。礦業工程學科更是有著廣泛的研究內容，與力學、地質學、物理、數學、安全、信息、機械、電氣以及管理等多個學科具有廣泛交叉性，是一門綜合性極強的學科[2-3]。礦業工程其學科內涵以及服務的行業決定了其除了是一門綜合性非常強的學科，還是一門十分注重實踐性的學科。

對于學生的學科教育來說，進行實驗教育是將在課堂上學習到的抽象理論知識進行具象化，更好地理解與消化；是在有限的條件下為學生們提供接觸到盡可能真實的現場；是讓學生們了解礦業開采的前線以及各種數據分析、方案制定，讓學生們熟悉并掌握相關的流程，鍛煉和提高學生工程實踐能力的重要內容。大部分學校都針對采礦學、礦山壓力與巖層控制、井巷工程等礦業學科開設了各種相關實驗課程，并且建立了相對應的虛擬仿真實驗系統，來配合理論課程進行實驗學習。使學生可以通過實驗學習充分吸收課堂理論知識，對提高學生的實踐創新能力與綜合素質，發揮了至關重要的作用。但是就目前實驗教學的結果來看，仍存在以下問題。

（一）? “重理論，輕實驗”的傳統思想

我們一直在強調要注重學生工程實踐能力的培養，但是在大學的實際教學當中部分學校以及教師并未對實驗教學投入足夠的精力。許多培養計劃在制定的時候更偏向于理論的學習，并沒有分配給實驗課程足夠的學時，這就嚴重限制了教師帶學生深入了解實驗內容。巖體力學、礦山壓力與巖層控制、井巷工程等專業課程的知識本來就晦澀難懂，使得學生無法充分理解實驗內涵，只能在有限的時間內慌亂的操作實驗儀器，很多時候實驗尚未完成可能就已經下課，學生的興趣也瞬間降低了，致使實驗無法充分完成[4]，教學目的無法達成。

（二）? 線下實驗受限制較多

我國大學生數量逐年增加，部分學校未及時進行實驗室的擴建以及實驗設備的添置，致使國內高校實驗室資源有限，場地、設備不足乃至落后。只有巖石單軸抗拉、抗壓試驗等實驗成本低、儀器設備充足的實驗才可以向學生普及，然而針對個別實驗，實驗成本較高或者實驗儀器較少，無法做到讓大部分學生上手操作，無法很好地激發學生的學習興趣，培養學生的實踐創新能力。整個實驗也是以教師授課演示為主，以學生被動聽課簡單模仿為輔，師生之間沒有很好地溝通交流，實驗過程過于僵化。

（三）? 老師及學生對于線上實驗的不重視

在2020年疫情爆發前，各所煤炭行業高校普遍都有各自的線上教學系統，但是重視程度并不高，對學生的要求也僅停留于要求學生提交一份參與實驗的結果及證明，并不注重實驗過程。這就導致部分學生養成了為了完成任務而去完成實驗的不健康的思維邏輯，喪失了對于實驗的興趣，進而不再重視線上實驗。同時部分學生自制能力差，無法認真完成線上實驗任務，只會想方設法地應付公事，學習效果并不理想。甚至會使學生產生抵觸心理，最終就導致學生線上實驗學習效率低，不能實現實驗本來的目標。

以上的實驗現狀反映出無論線上還是線下實驗，都具有一定的局限性，只是單純依靠某一種實驗模式，無法適應新時代下的教學形式，學生也無法更好地掌握學習相關知識，無法培養創新實踐能力，無法使學生的綜合素質得到長足的提高。

二? 典型案例分析

論文針對當前國內礦業類學科虛實結合實驗教學方法與模式進行了調研分析，發現主要有參觀講解、線上操作和實際操作三類主流模式，如圖1所示。以下分別以煤礦綜采綜掘模型認知實驗、巖層移動物理相似模擬實驗和綜采放頂煤虛擬仿真實驗為例，進行實驗教學模式與效果分析。

（一）? 煤礦綜采綜掘模型認知實驗

礦業工程模型認知實驗使學生在學習理論課程的同時，熟悉綜采綜掘工作面巷道和設備及其布置，掌握掘進面炸藥爆破、掘進機掘進，采煤工作面采煤機、液壓支架、刮板輸送機等綜采綜掘設備的結構組成和系統總體配套。

實驗前要求學生提前閱讀掘進機（仿真模型）操作規程、采煤機（仿真模型）操作規程，在實驗過程中進行模型實機操作。通過教師為學生在實驗室現場講解，來了解爆破掘進的相關知識，以及綜采綜掘工作面的注意事項和常見事故。通過聽講以及實踐，讓學生們身臨其境，自己動手進行實踐操作。掘進機、采煤機、液壓支架等機械設備（仿真模型）功能相對完善，讓學生有更加直觀的認知，并且教師與同學之間可以隨時討論交流，使學生們能對采礦工作面專業知識有更深刻的認知與理解，加深學生們對于知識的印象，更好地擴散思維，激發學生的創造力。

實驗同樣存在非常明顯的缺點。實驗并不能真實地還原工作面的場景，只能在一定程度上進行模擬，僅僅作為參觀學習，與實際生產情況有著較大的差距。實驗受到場地設備以及時間的限制，很多模型以及概念還沒有充分理解，部分學生還沒有上機操作，實驗就草草結束，不利于學生充分吸收與消化知識。

（二）? 巖層移動物理相似模擬實驗

物理相似模擬實驗通過讓學生自己動手進行材料配比、完成巖層鋪設、布置應力傳感器、將模型風干、最后人工開挖和記錄模型變化數據等一系列實驗操作，旨在讓學生通過自己親手操作，見證開采后的礦山壓力導致壓力拱的形成過程、“橫三區，豎三帶”現象等，加深對相關知識的領會，如圖2所示。

通過現場實驗，該教學過程對于學生的課程認知可以起到相應的指導作用，可以讓學生很直觀地看到壓力拱形成的過程及穩定后的狀態，同時讓學生們自己動手進行模型制作，使學生不僅可以學習到書本上的知識，還鍛煉了學生的動手能力以及團隊成員之間的協作能力，更好地將書本上的知識生動形象地與實踐活動相互結合起來。

但是該教學方式仍然存在著不足。對于該實驗過程，教師比較注重前期模型建立的材料配比是否正確，忽視了實驗后續的結果處理。實驗過程較為復雜，配比過程以及模型制作過程較為繁瑣，時間較長，如果采取線上虛擬仿真模擬實驗，可以直接實現材料的精準配比，減少誤差影響。同時通過計算機調節參數，使模型快速成型，可以節約大量時間。

（三）? 綜采放頂煤虛擬仿真實驗

近年來，受疫情影響，大規模的學生工程現場學習受到限制，很多礦業類高校先后開發了不同形式的虛擬仿真實驗系統，以線上形式開展實驗教學，減少因特殊情況導致的教學停滯。如綜采放頂煤虛擬仿真實驗。該虛擬仿真實驗克服了實驗室和現代化真實礦井無法將相應的采煤方法及工藝作為實驗條件的困難，采用先進的虛擬仿真技術和教學理念，構建綜采放頂煤虛擬仿真教學實驗平臺，圖3為部分虛擬仿真場景。

實驗項目通過沉浸式顯示和交互式操作實驗平臺引導學生完成綜采放頂煤工藝實驗。通過構建綜采放頂煤工作面生產系統，來模擬工作面采煤機的割煤、推刮板輸送機、移架、液壓支架放煤的整個作業過程，引導學生在對綜放理論知識掌握的基礎上和對采煤設備結構、工作原理及操作方法了解的基礎上，按照作業規程和工藝參數，操作采煤設備進行割煤、放煤作業，模擬綜放工藝流程和工藝循環過程，系統掌握綜采放頂煤工藝技術知識，提高實踐能力。不過虛擬仿真實驗仍有一定進步的空間，目前作為線上進行的虛擬仿真實驗，部分學生容易出現網絡卡頓及頁面加載不成功的情況，網絡不穩定經常會導致實驗數據丟失等問題，實驗無法正常完成，嚴重影響學生的學習熱情以及實驗效率。后期將進一步對服務器和網絡進行優化。

三? 虛實結合實驗教學模式

（一）? 虛實結合實驗模式的背景

在后疫情時代，國內礦業高校在經歷了2020年的線上教學之后，對于線上教學的效果展開了一系列的情況調研以及數據分析，分析結果顯示：借助于互聯網信息技術力量，本次大規模線上教學大大加速了我國信息技術與教育融合的步伐，但從深層次來看，其揭示了線上教學在不同區域發展不平衡，以及不同高校線上教學推進的不同深度[5]。對比不同礦業高校，各高校對于線上實驗的實驗內容、實驗效率、實驗考核存在較大差異。同時，教師與學生對于線上教學的態度也是褒貶不一，線上教學諸多問題亟待解決。

通過以上分析，不難發現實驗教學的設計應該做到實體實驗或線上實兩者兼顧，在教育部《關于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》（教高廳〔2017〕4號和《關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知》（教高函〔2018〕5號）明確指出考慮如何在充分發揮虛擬仿真實驗教學項目功能的同時，回歸實驗教學的本質，線上虛擬仿真與線下實操并重，虛實結合，助力學生創新精神和實踐能力提升，成為了實驗教學探索的新方向[6]。

（二）? 虛實結合模式的內涵

虛實結合的實驗教學模式，從字面意思理解就是要做到既有線下實體實驗，也要有相配套的虛擬實驗項目與實體實驗相輔相成，由此來創造一種虛實結合的實驗教學模式[7]。其中，“實”是針對具體的實體實驗，通過在實驗場地中使用實驗儀器進行線下實驗。“虛”則需要綜合運用多媒體技術、計算機網絡、數據庫、虛擬仿真實驗系統。“結合”是“虛”與“實”互相補充，補全彼此的不足之處，而不是產生重疊、重復的部分，否則只會浪費資源、降低效率[8]。

（三）? 虛實結合實驗模式的前景

線上線下、虛實結合的混合實驗教學模式，是在經歷過傳統線下實體實驗、線上虛擬實驗，在意識到前兩種模式都有各自的弊端之后，逐步開始加大對新型實驗教學模式的探索力度。該模式在最近幾年才開始被研究，因此還有許多問題需要解決。在實際操作過程中，“虛”與“實”相互補充的對象因范圍不同而不同，尚無一致的依據。同一個實驗項目之內可以既有實體實驗內容，又有虛擬內容，形成相互補充；同一門課程之內的虛擬實驗內容與實體實驗內容也可以相互補充；同一個專業的培養計劃內的虛擬實驗內容與實體實驗內容可以相互補充；校內或校際之間的“虛擬教學資源”與“實體教學資源”也可以相互補充。如何更好地使這些內容充分結合，該以怎么樣的比例進行結合，都是需要進行探索研究的[8]，圖4和圖5是2010—2022年虛實結合實驗教學相關方面的發文趨勢和學科分布圖。

對于礦業類學科來說，知識十分繁雜，在沒有實物教學認知的情況下比較枯燥難懂，因此對知識的理解也只能停留在表面，知其然而不知其所以然，不能將知識變成自己學識的一部分，成果轉化率低。而行業本身的作業現場危險系數高，很難讓學生前往一線去印證課堂學習的理論知識，所以只能通過實驗教學來盡可能為學生提供一個模擬環境進行學習。但是傳統的線下教學受限于教學場地、教學器材、師資力量及學生數量等問題，不能讓每位學生充分地參與到實驗中；線上虛擬實驗對于課程的質量、學生的自律性以及網絡狀態等外部因素要求較高，學生只通過線上虛擬操作，而缺少實操經驗，結果就是在實際應用中知識運用十分僵化，效果并不理想。探索出符合礦業類學科的虛實結合模式，從而解放學生的創新性，培養學生的專業素質，對于實驗教學乃至高校教學都將具有革新意義。

四? 展望

高校工科專業實驗教學環節在提高學生專業能力方面起著不可或缺的重要作用[9]。虛實結合實驗教學模式是新時代教學模式一條前景廣闊的可行之路。通過不斷摸索“虛”與“實”在不同場景下的分配比例，應用在礦業類專業乃至多數專業中，才能真正在強化學生基礎理論理解的同時，注重培養學生分析、解決問題的綜合應用能力和自主創新意識，顯著提升教學效果和學生的創新實踐以及工程應用能力。

參考文獻：

[1] 邵冰莓，劉展.“新冠肺炎”疫情環境下實驗教學形式多樣化的運用[J].力學與實踐，2020，42（1）：80-84.

[2] 何滿潮，朱國龍.“十三五”礦業工程發展戰略研究[J].煤炭工程，2016，48（1）：1-6.

[3] 趙怡斐，王麗恩.煤炭高校礦業工程學科發展現狀與對策研究[J].煤炭高等教育，2016，34（4）：1-5.

[4] 李永武.采礦工程專業實驗教學模式的改革與探索[J].科技創新導報，2017，14（6）：230-231.

[5] 鄔大光，李文.我國高校大規模線上教學的階段性特征——基于對學生、教師、教務人員問卷調查的實證研究[J].華東師范大學學報（教育科學版），2020，38（7）：1-30.

[6] 夏定元，張家亮，王永圣，等.虛實結合的實驗教學平臺助力創新人才培養[J].實驗室研究與探索，2022，41（1）：165-168.

[7] 杜鵬英，任國海，江皓，等.虛實結合的開放式信電類實驗教學模式研究與探索[J].教育教學論壇，2013（38）：203-204.

[8] 程海麗，張敬宗，王獻云，等.談虛擬仿真實驗教學中心建設中的“虛實結合”原則[J].甘肅科技，2017，33（3）：50-53.

[9] 周紅霞，薛彩紅，朱發巖.淺談高校工科專業實驗教學的現狀和改革措施[J].實驗室科學，2017，20（1）：227-229.

基金項目：國家自然科學基金-專項“煤炭資源安全智能開采科普活動”（42042043）；中國礦業大學（北京）教學教改項目“礦業類學科虛實結合實驗教學模式研究與實踐”（J221108）

第一作者簡介：滕騰（1989-），男，漢族，江蘇豐縣人，博士，副教授。研究方向為礦山巖體力學。